(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板の第１接合面と第２基板の第２接合面とが互いに対向するように重ね合わせて、前記第１接合面と前記第２接合面とを互いに接合する基板重ね合わせ装置であって、
前記第１基板を保持する第１ステージと、
前記第１基板に対向して配置される前記第２基板を保持する第２ステージと、
前記第１基板および前記第２基板の対向方向に沿った前記第１接合面上の複数位置の変位と、前記対向方向に沿った前記第２接合面上の複数位置の変位とをそれぞれ計測する変位計と、
前記変位計の出力に基づいて前記第１接合面と前記第２接合面との相対的な傾きを取得する取得部と、
前記取得部が取得した前記傾きに基づいて、前記第１接合面と前記第２接合面が互いに平行となるように前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方を駆動する駆動部と
を備え、
前記変位計は、前記第１ステージに保持された前記第１基板の前記第１接合面上における複数位置の変位を計測する第１変位計と、前記第２ステージに保持された前記第２基板の前記第２接合面上における複数位置の変位を計測する第２変位計とを有し、
前記駆動部は、前記第１ステージを前記対向方向に直交する平面方向に駆動し、
前記第２変位計による計測位置は、前記第１ステージの駆動により変化し、
前記第１変位計による計測位置は、前記第１ステージの駆動により変化する基板重ね合わせ装置。
【請求項２】
前記取得部は、前記変位計により計測された前記複数位置の変位に基づいて、前記第１接合面と前記第２接合面とのそれぞれの傾きを近似的に算出し、
前記駆動部は、近似的に算出された前記第１接合面および前記第２接合面の傾きの差が小さくなるように前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方を駆動する請求項１に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項３】
前記取得部は、前記変位計により計測された前記複数位置の変位に基づいて、前記第１接合面上および前記第２接合面上のそれぞれにおいて、互いに交差する第１の軸と第２の軸とのそれぞれの方向の傾きを最小二乗法を用いて算出する請求項２に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項４】
前記第２変位計は、前記第１ステージに設置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項５】
前記第２ステージを固定するフレームを備え、
前記第１変位計は、前記フレームに固定されている請求項１から４のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項６】
前記変位計は、前記第１接合面に設けられた第１アライメントマークと前記第２接合面に設けられた第２アライメントマークの検出を行う検出部の少なくとも一部を構成する請求項１から５のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項７】
前記検出部は、前記第１接合面における複数位置の変位の計測に並行して、前記第１アライメントマークの検出を行い、前記第２接合面における複数位置の変位の計測に並行して、前記第２アライメントマークの検出を行う請求項６に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項８】
前記検出部は、フォーカス機能を有する顕微鏡を含み、前記フォーカス機能の焦点調整の結果に基づいて複数位置の前記対向方向の変位を検出する請求項６または７に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項９】
前記変位計は、前記第１ステージに保持された前記第１基板の前記第１接合面、および前記第２ステージの保持に先立って前記第１ステージに仮保持された前記第２基板の前記第２接合面を計測する請求項１から８のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項１０】
前記第１ステージは、前記第１基板を第１基板ホルダを介して保持し、
前記第２ステージは、前記第２基板を第２基板ホルダを介して保持する請求項１から９のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
【請求項１１】
第１基板の第１接合面と第２基板の第２接合面とが互いに対向するように重ね合わせて、前記第１接合面と前記第２接合面とを互いに接合する基板重ね合わせ方法であって、
前記第１基板を第１ステージに保持する第１保持ステップと、
前記第１基板に対向して前記第２基板を第２ステージに保持する第２保持ステップと、
前記第１基板および前記第２基板の対向方向に沿った前記第１接合面上の複数位置の変位と、前記対向方向に沿った前記第２接合面上の複数位置の変位とをそれぞれ計測する計測ステップと、
前記計測ステップの計測結果に基づいて前記第１接合面と前記第２接合面との相対的な傾きを取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記傾きに基づいて、前記第１接合面と前記第２接合面が互いに平行となるように前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方を駆動する駆動ステップと
を含み、
前記計測ステップでは、
前記第１ステージに保持された前記第１基板の前記第１接合面上における複数位置の変位を計測する第１変位計と、前記第２ステージに保持された前記第２基板の前記第２接合面上における複数位置の変位を計測する第２変位計とを用い、
前記第１ステージを前記対向方向に直交する平面方向に駆動することにより、前記第２変位計による計測位置を変化させ、前記第１変位計による計測位置を変化させる基板重ね合わせ方法。
【請求項１２】
前記取得ステップは、前記計測ステップで計測された前記複数位置の変位に基づいて、前記第１接合面と前記第２接合面とのそれぞれの傾きを近似的に算出し、
前記駆動ステップは、近似的に算出された前記第１接合面および前記第２接合面の傾きの差が小さくなるように前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方を駆動する請求項１１に記載の基板重ね合わせ方法。
【請求項１３】
前記取得ステップは、前記計測ステップで計測された前記複数位置の変位に基づいて、前記第１接合面上および前記第２接合面上のそれぞれにおいて、互いに交差する第１の軸と第２の軸とのそれぞれの方向の傾きを最小二乗法を用いて算出する請求項１２に記載の基板重ね合わせ方法。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ方法を含むデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板重ね合わせ装置およびデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各々に素子、回路等が形成された半導体基板を積層して製造された積層型半導体装置がある。半導体基板を積層する場合には、基板ホルダに保持された一対の半導体基板を、精密に位置決めして積層した後、基板全体を加熱、加圧して接合させる。特に、一対の半導体基板を位置決めする位置決め装置について、例えば特許文献１に紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５１９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体基板の位置決めにおいては、互いの半導体基板における水平面内であるｘｙ方向の位置合わせを行った後、ｚ方向へ近接させる。そして、ロードセルの圧力分布出力を監視しながら、互いの半導体基板を接触させる。しかしながら、この方法においては互いに重ね合わされる接合面が接触するまではその傾き状態が把握できず、接触時に大きな衝撃が加わる恐れがある。よって、ステージのｚ方向の移動は、極力遅い速度に設定せざるを得なかった。特に、最初の接触時における傾きが大きいと、その後実行される倣い動作において繰り返される試行動作の回数が増えてしまい、装置としてのスループット低下に多大な影響を与えていた。
【０００５】
また、互いの接合面の傾きは、それぞれの基板ホルダが載置されるステージ同士の傾きのみならず、基板ホルダのステージ載置面と半導体基板保持面間の傾き、さらには、半導体基板そのものの表裏面間の傾きの累積として表れる。したがって、ステージの監視のみでｚ方向への近接動作を行うことは、やはり不十分であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のひとつの態様における基板重ね合わせ装置は、第１基板を保持する第１ステージと、第１基板に対向して配置される第２基板を保持する第２ステージと、第１ステージに保持された第１基板の接合面である第１接合面と、第２ステージに保持された第２基板の接合面である第２接合面の相対的な傾きを取得する取得部と、第１ステージおよび第２ステージの少なくとも一方を、取得部が取得した傾きに基づいて、第１接合面と第２接合面が互いに平行となるように駆動する駆動部とを備える。
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のひとつの態様におけるデバイスの製造方法は、複数の基板を重ね合わせて製造されるデバイスの製造方法であって、複数の基板を重ね合わせる工程は、第１ステージに第１基板を保持させる第１保持ステップと、第２ステージに、第１基板に対向して第２基板を保持させる第２保持ステップと、第１ステージに保持された第１基板の接合面である第１接合面と、第２ステージに保持された第２基板の接合面である第２接合面の相対的な傾きを取得する取得ステップと、第１ステージおよび第２ステージの少なくとも一方を、取得ステップで取得した傾きに基づいて、第１接合面と第２接合面が互いに平行となるように駆動する駆動ステップとを含む。
【０００８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１基板を保持した第１基板ホルダを上方から見下ろした斜視図である。
【図２】第２基板を保持した第３基板ホルダを上方から見下ろした斜視図である。
【図３】本実施形態に係る基板重ね合わせシステムの概略構成図である。
【図４】基板重ね合わせ装置を概略的に示す側面図である。
【図５】干渉計を用いて接合面の変位計測を行う様子を示す図である。
【図６】ｘ軸方向の計測を並行して行う様子を示す模式図である。
【図７】ｙ軸方向の計測を並行して行う様子を示す模式図である。
【図８】計測された結果の例を示す概念図である。
【図９】第１ステージを球面台座に沿って傾ける様子を示す図である。
【図１０】ウェハホルダ対を形成する様子を示す図である。
【図１１】ウェハホルダ対を載置した第１ステージが移動される様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１は、基板である第１ウェハ１０を保持した第１ウェハホルダ１０１を上方から見下ろした斜視図である。第１ウェハホルダ１０１は、ホルダ本体１１０および吸着子１１１を有して、全体としては第１ウェハ１０よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。ホルダ本体１１０は、セラミックス、金属等の高剛性材料により一体成形される。
【００１２】
ホルダ本体１１０は、第１ウェハ１０を保持する領域をその表面に備える。この保持領域は研磨されて高い平坦性を有する。第１ウェハ１０の保持は、静電力を利用した吸着により行われる。具体的には、ホルダ本体１１０に埋め込まれた電極に、ホルダ本体１１０の裏面に設けられた電圧印加端子を介して電圧を加えることにより、第１ウェハホルダ１０１と第１ウェハ１０との間に電位差を生じさせて、第１ウェハ１０を第１ウェハホルダ１０１に吸着させる。
【００１３】
吸着子１１１は、鉄のような磁性体により形成され、第１ウェハ１０を保持する表面において、保持した第１ウェハ１０よりも外側である外周領域に複数配される。また、吸着子１１１は、第１ウェハ１０を保持する平面と略同じ平面内にその上面が位置するように、ホルダ本体１１０に形成された陥没領域に配される。図の場合、２個を一組として１２０度毎に合計６個の吸着子１１１が配されている。
【００１４】
第１ウェハ１０の上面には、複数の第１回路領域１１が造り込まれている。図示するように、矩形で囲まれる複数の第１回路領域１１は、第１ウェハ１０の上面に二次元的に広く配列されている。また、それぞれの第１回路領域１１の内部には、第１アライメントマーク１２が設けられている。第１アライメントマーク１２は、第１ウェハ１０の位置制御に用いられる指標である。それぞれの第１アライメントマーク１２は、例えば第１ウェハ１０の中心を原点とする座標値として、その設計座標値が個別に管理されている。なお、以下において第１ウェハ１０の上面を第１接合面と呼ぶ。
【００１５】
第１アライメントマーク１２は第１ウェハ１０の位置制御に用いられる指標であるので、全ての第１回路領域１１に設けられなくても良い。少なくとも第１ウェハ１０の位置制御が行える個数があれば良い。また、第１アライメントマーク１２は、第１回路領域１１の内部に設けられているが、回路と無関係に別途設けられている必要はなく、回路の構成要素であって、指標として利用できるものを第１アライメントマーク１２としても良い。例えば、積層型半導体素子におていは、層間の接続にＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉ Ｖｉａ）がよく利用されるが、ＴＳＶの先端を第１アライメントマーク１２として用いることができる。さらには、第１回路領域１１の外部に、第１アライメントマーク１２を設けるようにしても良い。
【００１６】
第１ノッチ１３は、第１ウェハ１０に設けられた切欠きであり、第１ウェハ１０の姿勢を外形基準で判断するときに用いられる指標である。第１ノッチ１３は、例えば第１ウェハ１０の中心を原点とする座標値として、その設計座標値が個別に管理されている。
【００１７】
図２は、基板である第２ウェハ２０を保持した第２ウェハホルダ２０１を上方から見下ろした斜視図である。第２ウェハホルダ２０１は、ホルダ本体２１０およびマグネット２１１を有して、全体としては第２ウェハ２０よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。ホルダ本体２１０は、セラミックス、金属等の高剛性材料により一体成形される。
【００１８】
ホルダ本体２１０は、第２ウェハ２０を保持する領域をその表面に備える。この保持領域は研磨されて高い平坦性を有する。第２ウェハ２０の保持は、静電力を利用した吸着により行われる。具体的には、ホルダ本体２１０に埋め込まれた電極に、ホルダ本体２１０の裏面に設けられた電圧印加端子を介して電圧を加えることにより、第２ウェハホルダ２０１と第２ウェハ２０との間に電位差を生じさせて、第２ウェハ２０を第２ウェハホルダ２０１に吸着させる。
【００１９】
マグネット２１１は、第２ウェハ２０を保持する表面において、保持した第２ウェハ２０よりも外側である外周領域に複数配される。また、マグネット２１１は、第２ウェハ２０を保持する平面と略同じ平面内にその上面が位置するように配される。図の場合、２個を一組として１２０度毎に合計６個のマグネット２１１が配されている。
【００２０】
第２ウェハホルダ２０１のマグネット２１１は、第１ウェハホルダ１０１の吸着子１１１とそれぞれ対応するように配置されている。そして、第１ウェハ１０を保持した第１ウェハホルダ１０１と、第２ウェハ２０を保持した第２ウェハホルダ２０１を、互いに向かい合わせてマグネット２１１と吸着子１１１を作用させると、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０を重ね合わせた状態で挟持して固定することができる。
【００２１】
第２ウェハ２０の上面には、複数の第２回路領域２１が造り込まれている。図示するように、矩形で囲まれる複数の第２回路領域２１は、第２ウェハ２０の上面に二次元的に広く配列されている。また、それぞれの第２回路領域２１の内部には、第２アライメントマーク２２が設けられている。第２アライメントマーク２２は、第２ウェハ２０の位置制御に用いられる指標である。それぞれの第２アライメントマーク２２は、例えば第２ウェハ２０の中心を原点とする座標値として、設計座標値が個別に管理されている。なお、以下において第２ウェハ２０の上面を第２接合面と呼ぶ。
【００２２】
第２アライメントマーク２２は第２ウェハ２０の位置制御に用いられる指標であるので、全ての第２回路領域２１に設けられなくても良い。少なくとも第２ウェハ２０の位置制御が行える個数があれば良い。また、第２アライメントマーク２２は、第２回路領域２１の内部に設けられているが、回路と無関係に別途設けられている必要はなく、回路の構成要素であって、指標として利用できるものを第２アライメントマーク２２としても良い。さらには、第２回路領域２１の外部に、第２アライメントマーク２２を設けるようにしても良い。
【００２３】
第２ノッチ２３は、第２ウェハ２０に設けられた切欠きであり、第２ウェハ２０の姿勢を外形基準で判断するときに用いられる指標である。第２ノッチ２３は、例えば第２ウェハ２０の中心を原点とする座標値として、その設計座標値が個別に管理されている。
【００２４】
図３は、本実施形態に係る基板重ね合わせ装置３０を含む基板重ね合わせシステムの概略構成図である。基板重ね合わせ装置３０は、複数の基板を互いの実装面において位置合わせをして重ね合わせる装置であり、特に半導体基板であるウェハ同士を重ね合わせて３次元実装を行うシステムの一部の装置として好適である。以下においては、各装置の各要素は、基板重ね合わせシステム全体の制御および演算を司る制御演算部、または要素ごとに設けられた制御演算部が、統合制御、協調制御を行うことにより動作する。
【００２５】
基板重ね合わせシステムは、基板重ね合わせ装置３０の他に、搬送ロボット４０とプリアライナー５０を備える。搬送ロボット４０は、ウェハおよびウェハホルダを把持することができるハンド部４０１と、伸縮および回転することにより把持したウェハおよびウェハホルダを所定の位置に所定の姿勢で搬入させるアーム部４０２とを有する。なお、ハンド部４０１は、把持する第１ウェハホルダ１０１または第２ウェハホルダ２０１の電圧印加端子に電圧を印加する電圧供給端子を備える。これにより、ハンド部４０１が、第１ウェハ１０を保持する第１ウェハホルダ１０１、または、第２ウェハ２０を保持する第２ウェハホルダ２０１を把持する場合でも、それぞれのウェハの保持を持続することができる。
【００２６】
プリアライナー５０は、観察顕微鏡５０１と載置台５０２を備える。搬送ロボット４０は、第１ウェハホルダ１０１および第１ウェハ１０を、または、第２ウェハホルダ２０１および第２ウェハ２０を、それぞれ順次または一体的に載置台５０２上に搬入する。観察顕微鏡５０１は、図示されない制御演算部に接続された撮像素子と、載置台５０２に載置されたウェハの全体像を撮像素子に結像させる光学系を有する。そして、制御演算部は、例えば載置台５０２に載置された第１ウェハ１０の全体画像を取得して、画像中の第１ノッチ１３の位置から、載置台５０２上における第１ウェハ１０の姿勢を検知する。ここで検知する第１ウェハ１０の姿勢は、少なくともｘｙ平面内における第１ウェハ１０の中心座標、回転量を含む。なお、載置台５０２に第２ウェハ２０が載置されている場合も、同様に姿勢を検知することができる。
【００２７】
基板重ね合わせ装置３０は、互いに対向して第１測定顕微鏡３０１と第２測定顕微鏡３０２を備える。第１測定顕微鏡３０１は筐体の天井フレームに固定され、第２測定顕微鏡３０２は第１ステージ３０３に設置される。第１ステージ３０３は、駆動装置３０７に設置され、制御演算部の制御によりｘｙｚ方向およびθｘθｙθｚ方向の６軸方向に移動する。特に、第１ステージ３０３はその中央部に球面台座３０８を備え、駆動装置３０７は第１ステージ３０３を球面台座３０８に沿って駆動することにより、θｘθｙ方向に移動させる。つまり、第１ステージ３０３を水平方向に対して傾けることができる。
【００２８】
第１ステージ３０３のｘｙ方向の移動距離およびｚ軸周りの回転方向であるθｚ方向の回転量は、レーザー光波干渉式の測長器であるＸＹ干渉計３０６により、第１ステージ３０３の端部に設けられた反射ミラー３０５を用いて検出される。なお、ＸＹ干渉計３０６および反射ミラー３０５は、ｘｙ方向の移動量およびθｚ方向の回転量が検出できるように、適当な位置に複数設置されている。
【００２９】
第１ウェハホルダ１０１とこれに保持された第１ウェハ１０は、プリアライナー５０で姿勢の同定を受けた後に、搬送ロボット４０により把持され、第１ステージ３０３に搬送される。第１ステージ３０３は、第１ウェハ１０を保持する第１ウェハホルダ１０１を真空吸着により固定する。なお、第１ステージ３０３は、第１ウェハホルダ１０１の電圧印加端子に電圧を印加する電圧供給端子を備える。これにより、第１ウェハ１０は第１ウェハホルダ１０１に固定されたままであり、相対的な位置および姿勢が維持される。
【００３０】
同様に、第２ウェハホルダ２０１とこれに保持された第２ウェハ２０は、プリアライナー５０で姿勢の同定を受けた後に、搬送ロボット４０により把持され、第２ステージ３０４に搬送される。搬送ロボット４０は、この間にハンド部４０１を１８０度回転させて、第２ウェハ２０を下向きにする。第２ステージ３０４は、第１ステージ３０３に対向し筐体の天井フレームに固定されたステージであり、第２ウェハ２０を保持する第２ウェハホルダ２０１を下向きに真空吸着により固定する。なお、第２ステージ３０４は、第２ウェハホルダ２０１の電圧印加端子に電圧を印加する電圧供給端子を備える。これにより、第２ウェハ２０は第２ウェハホルダ２０１に固定されたままであり、相対的な位置および姿勢が維持される。
【００３１】
第１測定顕微鏡３０１は、図示されない制御演算部に接続された撮像素子と、第１ステージ３０３に第１ウェハホルダ１０１を介して載置された第１ウェハ１０の一部分の像を撮像素子に結像させる光学系とを備える第１撮像ユニットを構成する。同様に、第２測定顕微鏡３０２は、図示されない制御演算部に接続された撮像素子と、第２ステージ３０４に第２ウェハホルダ２０１を介して載置された第２ウェハ２０の一部分の像を撮像素子に結像させる光学系とを備える第２撮像ユニットを構成する。
【００３２】
第１測定顕微鏡３０１により第１ウェハ１０の所定の部分を観察するときには、制御演算部は、その観察部分が第１測定顕微鏡３０１の視野内に位置するように、駆動装置３０７を駆動して第１ステージ３０３を移動させる。第２測定顕微鏡３０２により第２ウェハ２０の所定の部分を観察するときには、制御演算部は、その観察部分が第２測定顕微鏡３０２の視野内に位置するように、駆動装置３０７を駆動して第１ステージ３０３を移動させる。なお、第１測定顕微鏡３０１と第２測定顕微鏡３０２のそれぞれの光軸は、互いに対向したときに一致するよう予め調整されている。
【００３３】
第１測定顕微鏡３０１の近傍の天井フレームには、第１ウェハ１０の上面である第１接合面の所定箇所までの変位を計測する第１干渉計３０９が設置されている。第１干渉計３０９は、例えば、天井フレームを基準として第１接合面の所定箇所までの距離を計測するレーザー光波干渉式の測長器である。第１測定顕微鏡３０１が第１ウェハ１０の所定の部分を観察するときと同様に、第１干渉計３０９が所定箇所に対する距離を計測する場合には、その計測箇所が第１干渉計３０９の直下に位置するように、駆動装置３０７を駆動して第１ステージ３０３を移動させる。
【００３４】
第１ステージ３０３上の、第１ウェハホルダの載置面を挟んで第２測定顕微鏡３０２の反対側には、第２ウェハ２０の上面である第２接合面の所定箇所までの変位を計測する第２干渉計３１０が設置されている。第２干渉計３１０は、例えば、第１ステージ３０３を基準として第２接合面の所定箇所までの距離を計測するレーザー光波干渉式の測長器である。第２測定顕微鏡３０２が第２ウェハ２０の所定の部分を観察するときと同様に、第２干渉計３１０が所定箇所に対する距離を計測する場合には、その計測箇所が第２干渉計３１０の直上に位置するように、駆動装置３０７を駆動して第１ステージ３０３を移動させる。
【００３５】
詳細な工程については後述するが、第１測定顕微鏡３０１および第２測定顕微鏡３０２により第１ウェハ１０と第２ウェハ２０の精確な姿勢を把握し、また、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０により第１接合面と第２接合面の傾きを把握して、互いの接合面を接触させる。そして、第１ウェハホルダ１０１の吸着子１１１と第２ウェハホルダ２０１のマグネット２１１を作用させることで、第１ウェハ１０および第２ウェハ２０を挟持した状態で、第１ウェハホルダ１０１と第２ウェハホルダ２０１を一体化して固定する。一体化されたウェハホルダ対は、搬送ロボット４０のハンド部４０１に把持されて、基板重ね合わせ装置３０から次工程を担う装置へ向けて搬出される。
【００３６】
一般的に、２つのウェハホルダを対向させ、それぞれが保持するウェハの回路形成面である接合面同士を接触させて積層するような場合、最初の接触において互いが部分的に接触する片当たりが生じると、過大な荷重を回路領域に与えることになり、回路の損傷を招く。したがって、ウェハホルダのステージと接する載置面と、ウェハを保持する保持面の平行度が悪ければ、片当たりの原因となる。また、ウェハホルダに保持されるウェハそのものも、表裏の面、すなわち、回路形成面である接合面とウェハホルダに保持される保持面の平行度が悪い場合がある。このような場合は、ウェハホルダの載置面と保持面の平行度が良くても、片当たりを生じてしまう。
【００３７】
このような事情を考慮して、従来、互いの接合面を接触させる工程においては、回路領域に衝撃を与えるような片当たりを防ぐべく、互いの接近動作を非常に低速で行っていた。すなわち、どのような角度でどの箇所が片当たりするか予測できないままに接近させる場合、接触時の衝撃を抑制するには接近速度を極力抑える必要があった。このような処理工程は、スループットの低下を招く原因となっていた。そこで、本実施形態においては、互いの接合面を接触させる工程に先立って、互いの接合面の傾きを計測し、計測された傾きを是正して平行にする処理動作を実行する。以下、図を用いて説明する。
【００３８】
図４は、基板重ね合わせ装置３０を概略的に示す側面図である。図４においては、紙面右方向をｘ軸プラス方向とした場合、第１ウェハ１０の接合面と第２ウェハ２０の接合面が、ｘ軸プラス方向に向かうに従い、互いに遠ざかるようにデフォルメして描いている。このような場合、そのまま駆動装置３０７をｚ方向へ駆動して第１ステージ３０３を上方へ持ち上げると、第１接合面と第２接合面は、ｘ軸マイナス側である左端部分で片当たりしてしまう。なお図においては、第１ウェハホルダ１０１と第２ウェハホルダ２０１のそれぞれのウェハ保持面が載置面に対して傾いている様子を示す。
【００３９】
図５は、干渉計を用いて接合面の変位計測を行う様子を示す図である。具体的には、第１干渉計３０９を用いて、第１ステージ３０３に載置された第１ウェハホルダ１０１に保持されている第１ウェハ１０の第１接合面の変位計測を開始し、同時に、第２干渉計３１０を用いて、第２ステージ３０４に載置された第２ウェハホルダ２０１に保持されている第２ウェハ２０の第２接合面の変位計測を開始する様子を示す。上述のように、第２ステージ３０４および第１干渉計３０９は筐体の天井フレームに固定されており、また、第２干渉計３１０は第１ステージ３０３に固定されて第１ステージ３０３と共に移動される。したがって、図示するように、例えば第１ステージ３０３がｘ軸マイナス方向に移動されると、第１接合面は左端部分から右端部分にかけて経時的に第１干渉計３０９の直下で対向することになる。同様に、第２接合面の右端部分から左端部分にかけて第２干渉計３１０が直下を通過することになる。
【００４０】
第１干渉計３０９による計測は、第１接合面のうち第１干渉計３０９に相対する箇所に対して行う。これを、第１ステージ３０３の移動に伴って、所定間隔ごとに離散的に連続して繰り返す。制御演算部は、第１干渉計３０９の出力と、その計測時の第１ステージ３０３の移動量または移動量に基づいて計算される第１ステージ３０３における計測座標値をリンクさせて順次記憶する。第２干渉計３１０による計測も同様に行う。すなわち、第１ステージ３０３の移動に伴って、第２接合面のうち第２干渉計３１０に相対する箇所に対して、所定間隔ごとに離散的に連続して繰り返す。制御演算部は、第２干渉計３１０の出力と、その計測時の第１ステージ３０３の移動量または移動量に基づいて計算される第２ステージ３０４の計測座標値をリンクさせて順次記憶する。
【００４１】
上記のように計測するときに、第１ステージ３０３の駆動に同期させて、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０による計測を並行して行えば、一軸方向の計測を一度のステージ移動で完了させることができる。図６は、第１ステージ３０３の駆動に同期させて、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０によるｘ軸方向の計測を並行して行う様子を示す模式図である。図６のいずれの図も、装置上方から見下ろした様子を表す。
【００４２】
図６の上図は、第１ステージ３０３と第２ステージ３０４が、図４と同様の相対位置関係にある場合を表す。この初期状態から第１ステージ３０３をｘ軸マイナス方向へ移動させる。すると、図６中図に示すように、第１ステージ３０３に固定されている第１ウェハ１０は、天井フレームに固定されている第１干渉計３０９の直下に差し掛かる。同時に、第１ステージ３０３に固定されている第２干渉計３１０は、第２ステージ３０４に固定されている第２ウェハ２０の直下に差し掛かる。この状態から第１干渉計３０９は、第１ウェハ１０に対する計測を開始し、第２干渉計３１０は、第２ウェハ２０に対する計測を開始する。そして、第１ステージ３０３の移動に同期して、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０の計測を継続する。図６下図に示すように、第１干渉計３０９の直下に第１ウェハ１０のｘ軸方向端部が到達し、また、第２ウェハ２０のｘ軸方向端部の直下に第２干渉計３１０が到達すると、それぞれの計測を終了する。
【００４３】
ｘ軸方向に引き続き、ｙ軸方向についても第１接合面と第２接合面に対してそれぞれ計測をおこなう。図７は、第１ステージ３０３の駆動に同期させて、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０によるｙ軸方向の計測を並行して行う様子を示す模式図である。図７のいずれの図も、装置上方から見下ろした様子を表す。
【００４４】
図７の上図は、ｙ軸方向の計測を行う場合の、第１ステージ３０３と第２ステージ３０４の初期状態の相対位置関係を示す。この初期状態から第１ステージ３０３をｙ軸マイナス方向へ移動させる。すると、第１ステージ３０３に固定されている第１ウェハ１０は、天井フレームに固定されている第１干渉計３０９の直下に差し掛かる。同時に、第１ステージ３０３に固定されている第２干渉計３１０は、第２ステージ３０４に固定されている第２ウェハ２０の直下に差し掛かる。
【００４５】
この状態から第１干渉計３０９は、第１ウェハ１０に対する計測を開始し、第２干渉計３１０は、第２ウェハ２０に対する計測を開始する。そして、第１ステージ３０３の移動に同期して、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０の計測を継続する。図７中図に示すように、第１干渉計３０９の直下に第１ウェハ１０の中心が、また、第２ウェハ２０の中心の直下に第２干渉計３１０が位置する状態を経由し、図７下図の状態に至る。図７下図は、第１干渉計３０９の直下に第１ウェハ１０のｙ軸方向端部が到達し、また、第２ウェハ２０のｙ軸方向端部の直下に第２干渉計３１０が到達した状態を示す。そして、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０の計測を終了する。
【００４６】
図８は、上述のように計測された結果の例を示す概念図である。図は、ｘ軸方向に計測された複数個所におけるｚ軸方向の変位と、ｙ軸方向に計測された複数個所におけるｚ軸方向の変位を、第１ウェハ１０における計測箇所に対応させて示す。ここで示されるｚ軸方向の変位は、第１干渉計３０９が固定されている天井フレームと平行に設置されている第２ステージ３０４を基準面とした、第１接合面の計測箇所までの距離である。
【００４７】
したがって、ｘ軸プラス方向へ向かって変位量が増大するということは、第１ウェハ１０は、ｘ軸プラス方向へ向かって第２ステージ３０４から遠ざかるように傾いていることを表す。そして、離散的に計測された計測データには、最小二乗法により直線近似式が当てはめられ、この近似式から、第２ステージ３０４と第１ウェハ１０のｘ軸方向の傾き角θ１ｘを求める。
【００４８】
同様に、ｙ軸プラス方向へ向かって変位量が増大するということは、第１ウェハ１０は、ｙ軸プラス方向へ向かって第２ステージ３０４から遠ざかるように傾いていることを表す。そして、離散的に計測された計測データには、最小二乗法により直線近似式が当てはめられ、この近似式から、第２ステージ３０４と第１ウェハ１０のｙ軸方向の傾き角θ１ｙを求める。
【００４９】
第２ウェハ２０に対する測定結果も同様に扱うことができる。第２ウェハ２０のｚ軸方向の変位は、第２干渉計３１０が固定されている第１ステージ３０３を基準面とした、第２接合面の計測箇所までの距離である。例えば、ｘ軸プラス方向へ向かって変位量が増大するということは、第２ウェハ２０は、ｘ軸プラス方向へ向かって第１ステージ３０３から遠ざかるように傾いていることを表す。そして、離散的に計測された計測データには、最小二乗法により直線近似式が当てはめられ、この近似式から、第１ステージ３０３と第２ウェハ２０のｘ軸方向の傾き角θ２ｘを求める。ｙ軸方向の測定データについても同様に、最小二乗法により直線近似式が当てはめられ、この近似式から、第１ステージ３０３と第２ウェハ２０のｙ軸方向の傾き角θ２ｙを求める。
【００５０】
以上の計測および演算により、第２ステージに対する第１ウェハ１０のｘ軸方向およびｙ軸方向の傾き角、第１ステージに対する第２ウェハ２０のｘ軸方向およびｙ軸方向の傾き角がそれぞれ算出できる。そこで次に、第１ステージ３０３を球面台座３０８に沿って移動させることにより、第１ウェハ１０の第１接合面と、第２ウェハ２０の第２接合面を互いに平行にする。図９は、駆動装置３０７を用いて第１ステージ３０３を球面台座３０８に沿って傾ける様子を示す図である。
【００５１】
第１接合面と第２接合面を互いに平行にするには、第１接合面と第２接合面の相対的な傾きである補正角を計算して、これに基づいて第１ステージ３０３を傾ける。具体的には、第１ステージ３０３と第２ステージ３０４が互いに平行状態を維持するように管理されているとして、第１ステージ３０３のｘ軸周りの補正角は、ｙ軸方向の傾き角を用いて、θ１ｙ−θ２ｙとして求められる。同様に、第１ステージ３０３のｙ軸周りの補正角は、ｘ軸方向の傾き角を用いて、θ１ｘ−θ２ｘとして求められる。なお、第１ステージ３０３自体の傾きは、図示されていないＺ干渉計により求めることができるので、第１ステージ３０３と第２ステージ３０４が互いに平行でない場合には、上記のそれぞれの式に、第１ステージ３０３の傾きを補正する補正項を加えればよい。
【００５２】
第１ステージ３０３を傾けて、第１接合面と第２接合面を互いに平行とした後、さらに第１ステージ３０３をｘｙ平面内で移動させて、第１接合面と第２接合面のｘｙ平面内における精確な位置合わせを行う。具体的には、第１測定顕微鏡３０１を用いて第１ウェハ１０の複数の第１アライメントマーク１２を観察し、それぞれの精確な位置を計測する。また、第２測定顕微鏡３０２を用いて第２ウェハ２０の複数の第２アライメントマーク２２を観察し、それぞれの精確な位置を計測する。第１ステージ３０３のｘｙ平面内における目標位置については、例えば、複数の第１アライメントマーク１２と、これに対応する複数の第２アライメントマーク２２が重ね合わされたときに、相互の位置ずれ量が最も小さくなるように統計的に決定されるグローバルアライメント法等を用いて演算され、決定される。
【００５３】
このようにして、ｘｙ平面内における精確な位置合わせを終えると、次に第１接合面と第２接合面を接触させる動作を行う。図１０は、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０を接触させてウェハホルダ対を形成する様子を示す図である。図示するように、第１接合面と第２接合面が面接触するまで、駆動装置３０７を駆動させて第１ステージ３０３をｚ軸プラス方向へ持ち上げる。
【００５４】
第１接合面と第２接合面が互いに平行であることを予め確保しているので、第１ステージ３０３のｚ軸プラス方向への移動は、比較的高速に行うことができる。第１接合面と第２接合面が完全に平行でないとしても、残存する傾き角は僅かである。したがって、片当たりが生じたとしても、過大な荷重を回路領域に与えることが無い。もし、傾き角が残存していた場合には、第２ステージ３０４に設けられている複数のロードセルが圧力分布を検出し、接触点を起点として第１接合面を第２接合面に倣わせるべく、駆動装置３０７を用いて球面台座３０８に沿って第１ステージ３０３を移動させる。
【００５５】
そして、若干の圧力を加えて、互いに仮接合させた後、第１ウェハホルダ１０１の吸着子１１１と、第２ウェハホルダ２０１のマグネット２１１を作用させて、２つのウェハホルダを互いにクランプさせる。つまり、第１ウェハホルダ１０１と第２ウェハホルダ２０１が、正確に位置合わせされた第１ウェハ１０と第２ウェハ２０を挟み込んで、一体的に固定されたウェハホルダ対の状態をつくりあげる。
【００５６】
ウェハホルダ対を形成した後、第２ステージ３０４による第２ウェハホルダ２０１の吸着を解除する。そして、第１ステージ３０３を、形成されたウェハホルダ対を載置した状態でｚ軸マイナス方向へ移動させる。図１１は、ウェハホルダ対を載置した第１ステージ３０３が移動される様子を示す図である。図示するように、第１ステージ３０３の引き下げ動作においては、補正角に基づいて傾けていた第１ステージ３０３を水平に戻す。このように搬入および搬出時において第１ステージ３０３が常に水平であれば、搬送ロボット４０のハンド部４０１は、ウェハホルダまたはウェハホルダ対の把持を行いやすい。そして、一体化されたウェハホルダ対は、搬送ロボット４０のハンド部４０１に把持されて、基板重ね合わせ装置３０から次工程を担う装置へ向けて搬出される。
【００５７】
上述の実施例においては、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０をそれぞれ、第１ステージ３０３および第２ステージ３０４に対向するように設置して、第１ステージ３０３をｘｙ平面内で移動させることにより、第１接合面と第２接合面の補正角を検出した。しかしながら、補正角を取得する手順は上述の実施例に限らないので、以下にその変形例を順次説明する。
【００５８】
（変形例１）
上述の実施例においては、第１ステージ３０３のみを移動させて補正角を検出した。しかし、第２ステージ３０４も駆動機構を設けて移動させるように制御を行っても良い。この場合、第１干渉計３０９および第１測定顕微鏡３０１は、第２ステージ３０４上に設置することが好ましい。このように構成する場合は、アライメントマークの検出および補正角の算出において、少なくともいずれか一方のステージを動かせば良いので、ステージの移動量を抑えることができ、また、移動パスを生成しやすい。
【００５９】
（変形例２）
上述の実施例においては、補正角の算出を行い、第１接合面と第２接合面を平行にした後に、互いのアライメントマークの検出を行った。しかし、第１干渉計３０９と共に第１測定顕微鏡３０１も動作させ、また、第２干渉計３１０と共に第２測定顕微鏡３０２も動作させれば、第１ステージ３０３の移動に伴い、変位量の計測に並行してアライメントマークの検出を行うことができる。このように構成すれば、第１ステージ３０３の移動量を抑制することができるので、スループットの向上に寄与する。なお、算出された補正角に基づいて第１ステージ３０３を傾けると、取得したアライメントマーク座標に誤差を生じるが、この誤差は補正角に基づいて修正することができる。なお、球面台座３０８の回転中心を、第１ウェハ１０の第１接合面の中心と一致するように設計すれば、第１ステージ３０３の傾きによって生じるアライメントマーク座標の誤差は僅かであるので、補正角の大きさによっては修正を行わなくても良い。
【００６０】
（変形例３）
上述の実施例においては、第１接合面の変位を計測する第１干渉計３０９と、第２接合面の変位を計測する第２干渉計３１０を、それぞれ独立して設置した。しかし、第２干渉計３１０を廃止して、第１干渉計３０９のみで計測することもできる。具体的には、第１ウェハ１０の第１ステージ３０３への載置に先立ち、第２ウェハ２０を第１ステージ３０３へ仮載置する。この状態で第１ステージ３０３を移動させつつ、第１干渉計３０９を用いて第２ウェハ２０の第２接合面を計測する。第１ステージ３０３と第２ステージ３０４は互いに並行、または互いの傾きは既知であるので、計測後の第２ウェハ２０を第１ステージ３０３から離脱させ、位相を調整しつつ第２ステージ３０４へ載置すれば、第１ステージに対する第２ウェハ２０の傾き角を把握することができる。その後、第１ステージ３０３へ第１ウェハ１０を載置し、第２ステージに対する第１ウェハ１０の傾き角を算出すれば、上述の実施例と同様に、第１接合面と第２接合面を互いに平行にすることができる。なお、ここで位相を調整するとは、第２ウェハ２０について、第１ステージ３０３へ仮載置したときのｘｙ平面内における向きと、計測後に第２ステージ３０４へ載置するｘｙ平面内における向きを合わせる、または既知の回転量を加えて向きを変更することである。
【００６１】
（変形例４）
上述の実施例においては、第１干渉計３０９および第２干渉計３１０による計測を第１ステージ３０３の移動に同期させて行った。しかし、例えば、第１接合面上の複数個所を同時に計測できるように、複数の第１干渉計３０９を設置したり、複数個所を並行して計測できる変位計もしくは走査機構を備えた変位計を設置すれば、第１ステージ３０３を移動させることなく計測を行うことができる。例えば、投光系と受光系を分離させ、投光系から射出した複数のレーザー光を、第１接合面の異なる箇所で反射させて受光系で受光する、干渉計アレイを用いても良い。このように構成すれば、第１ステージ３０３の移動に伴う誤差の累積を回避することができ、また、移動に必要な時間を省くことができる。
【００６２】
（変形例５）
上述の実施例においては、第１干渉計３０９と第２干渉計３１０を基板重ね合わせ装置３０内に設置して、基板重ね合わせ装置３０において補正角を算出し、取得した。しかし、第１ステージ３０３と第２ステージ３０４が互いに並行、または互いの傾きが既知であれば、それぞれのステージに実際にウェハを載置して計測しなくても良い。つまり、基板重ね合わせ装置３０を制御する制御演算部は、外部装置で計測された計測結果を取得し、第１ステージ３０３と第２ステージ３０４の傾きを考慮して、補正角を算出すれば良い。
【００６３】
具体的には、例えばプリアライナー５０において、観察顕微鏡５０１の近傍に干渉計を設置し、載置台５０２をｘｙ平面内で移動させることにより、載置台５０２に載置された第１ウェハ１０の第１接合面の変位を計測する。第１ウェハ１０が第１ウェハホルダ１０１に保持されていれば、計測した結果から、第１ウェハホルダ１０１の裏面に対する第１ウェハ１０の接合面の傾き角を算出することができる。また、第１ウェハ１０が単独で載置台５０２に載置されていれば、第１ウェハ１０の表裏面間の傾き角を算出することができる。第２ウェハ２０についても同様に算出できる。そして、基板重ね合わせ装置３０を制御する制御演算部は、プリアライナー５０からこの算出結果を取得する。さらに、搬送ロボット４０を制御して、第１ウェハ１０を保持する第１ウェハホルダ１０１を第１ステージ３０３へ、第２ウェハ２０を保持する第２ウェハホルダ２０１を第２ステージ３０４へ、それぞれ回転位相を調整して載置固定する。このように構成すれば、基板重ね合わせ装置３０内で計測を行わなくても、第１ステージ３０３を傾けて第１接合面と第２接合面を互いに並行にすることができる。このように構成すれば、システム全体の並行処理を促進することができるので、スループットの向上が期待できる。
【００６４】
（変形例６）
上述の実施例においては、第１干渉計３０９と第２干渉計３１０による変位計測に引き続き、第１ステージ３０３を傾けて第１接合面と第２接合面を平行にした。しかし、その都度第１接合面および第２接合面の計測を行わなくても良い。それぞれステージに載置された第１接合面と第２接合面が互いに平行でない主な原因の一つは、ウェハホルダの、ステージと接する載置面とウェハを保持する保持面の平行度が良くない点にある。したがって、基板重ね合わせ装置３０に記憶部を設け、利用する複数のウェハホルダについてそれぞれの載置面と保持面の平行度を記憶しておけば、毎回の変位計測を省略することができる。つまり、例えば、現時点で第１ステージ３０３に載置されている第１ウェハホルダ１０１についての平行度を記憶部から読み出し、かつ、載置されている第１ウェハホルダ１０１の位相がわかれば、ウェハホルダに起因する第２ステージに対する第１接合面の傾き角を算出することができる。載置されている第１ウェハホルダ１０１の位相は、搬送ロボット４０によって搬入される時のハンド部４０１の向きから把握することができる。第１ステージに対する第２接合面の傾き角も同様に算出することができる。したがって、ウェハホルダの載置面と保持面の傾きが、第１接合面と第２接合面が平行とならない主たる原因である場合は、このような構成でも上述の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
以上説明したそれぞれの実施例では、第１接合面と第２接合面の傾き角を計測する場合には干渉計を用いた。しかし、第１測定顕微鏡３０１、第２測定顕微鏡３０２がフォーカス機能を備える場合、その複数点における焦点調整の結果から各々の接合面の傾きを検出することができる。このようにフォーカス機能を備える測定顕微鏡を用いて装置を構成すれば、干渉計を省くことができる。
【００６６】
以上変形例を説明したが、もちろんこれらの組み合わせも実施例として採用し得る。また、本発明を上述の実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００６７】
１０  第１ウェハ、１１  第１回路領域、１２  第１アライメントマーク、１３  第１ノッチ、２０  第２ウェハ、２１  第２回路領域、２２  第２アライメントマーク、２３  第２ノッチ、３０  基板重ね合わせ装置、４０  搬送ロボット、５０  プリアライナー、１０１  第１ウェハホルダ、１１０  ホルダ本体、１１１  吸着子、２０１  第２ウェハホルダ、２１０  ホルダ本体、２１１  マグネット、３０１  第１測定顕微鏡、３０２  第２測定顕微鏡、３０３  第１ステージ、３０４  第２ステージ、３０５  反射ミラー、３０６  ＸＹ干渉計、３０７  駆動装置、３０８  球面台座、３０９  第１干渉計、３１０  第２干渉計、４０１  ハンド部、４０２  アーム部、５０１  観察顕微鏡、５０２  載置台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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